被动区土体加固控制偏压基坑变形效果研究

2023-09-15张啸川ZHANGXiaochuan

价值工程 2023年25期

张啸川 ZHANG Xiao-chuan

（重庆交通大学河海学院，重庆 400074）

0 引言

随着城市化建设不断推进，我国许多城市出现用地紧张这一不利于城市可持续发展的问题，开发地下空间、发展地下工程是解决这一问题的重要途径。同时，各种基坑工程和工程问题随之增加。基坑外偏压荷载是一种相当典型的情况，偏压荷载时，不但会使周边的土体出现较大的下沉量，而且会导致基坑两侧土体不对称变形。严重影响地基施工的稳定性[1]。

在工程实践中，为达到控制基坑变形的目的，可对坑底被动区土体进行加固[2]。近年来，学者们针对基坑被动区加固开展了大量研究，主要体现在加固形式、加固体参数如：宽度、高度、弹性模量等对基坑变形特性的影响。蒋建平[3]等人认为被动区土体刚度越大，基坑变形量越小，整体安全系数越大；刘溢[4]等结合实际工程，采取不同被动区土体参数进行数值模拟，给出了较为合理的加固体参数建议取值；屈若枫等[5]认为被动区阶梯式加固优于其他加固形式；朱志祥等[6]研究了三轴水泥土搅拌对于基坑变形作用的影响。

目前很少有研究关注在偏压条件下被动区土体加固形式对基坑变形特性的影响问题。鉴于此，本文采用有限元分析方法，依托某隧道深基坑工程，针对偏压作用对基坑变形特性的影响问题，考虑了不同被动区土体加固方案，分析了加固区长度、宽度及加固方式对基坑变形的影响。

1 工程概况

本基坑工程采用地下连续墙结合钢管内支撑的支护形式，地下连续墙的厚度为800mm，另设有四道水平方向上的内支撑。支撑体系除第一道钢筋混凝土支撑设置在地连墙顶部，截面尺寸为800mm×800mm 外，其余三道支撑皆采用钢管支撑，截面为φ609×16。

基坑采用明挖顺做法施工，围护工程量巨大，穿越国道、高架桥1 处，穿越地铁2 处，两侧地下管网复杂，涉及高压电力及给水、通讯等管线迁改，施工过程中必须保证正常交通。

2 计算模型及方案

2.1 模型尺寸

基于MIDAS GTS NX 结合了实际设计中的典型地层及基础构造数据，以构建同等工况下的隧道地基开挖数值计算模型，图1 为数值计算模型。其中，b 为被动区加固宽度，h 为被动区加固深度。基坑开挖深度为14.0m。考虑基坑开挖边界效应的影响，基坑开挖影响范围取3～5 倍的基坑深度[6]。在本文中，简化的模型尺寸为154m*56m。

2.2 计算参数

模型中土体采用二维平面应变单元模拟，土层计算参数见表1。土体单元用考虑剪切硬化和压缩硬化的HSS 模型，被动加固区土体采用弹性本构模型。用梁单元模拟内支撑及地下连续墙，地下连续墙与土层间设置界面单元，接触形式为库伦摩擦，为了保证设置界面单元后墙-土界面间的节点耦合，故在设置界面单元时同时建立了刚性连接网格。内支撑和地连墙几何及力学参数见表2。

表1 土层HSS 模型参数

表2 内支撑和地连墙几何及力学参数

2.3 计算步骤与方案

基坑开挖及支撑安装等过程可通过有限元软件激活或钝化单元的功能来模拟，具体施工模拟步骤如下：①激活所有土体单元与刚性连接网格，施加重力与位移约束进行初始应力状态分析，随后将位移清零；②施工地连墙，钝化刚性连接，激活墙-土间的界面单元，随后清零围护结构施工产生的位移；③激活加固后改变属性的坑底土体，并钝化原先的土体单元；④开挖第一层土体，并施工第一道钢管内支撑；⑤开挖第二层土体，并施工第一道钢筋混凝内支撑；⑥~⑦：依次开挖第三、四层土体，并施工钢筋混凝内支撑。

为系统研究被动区土体加固对偏压基坑变形效果的影响，分别选取不同加固区宽度、加固区深度、加固区布置形式进行数值模拟计算，加固区土体参数如表3 所示。

表3 计算方案

3 对比工况分析

3.1 被动区土体加固宽度对偏压基坑变形的影响

被动区土体加固后，基坑整体位移明显减少[2]。为研究偏压条件下不同被动区土体加固宽度对基坑变形性状的影响，需要了解基坑的主要性状的改变，本文主要分析围护结构侧向位移和弯矩、坑底回弹变形、地表沉降的变化。

3.1.1 不同加固宽度对应的地连墙水平位移

图2 是基坑地连墙的水平位移及弯矩沿地连墙深度的分布曲线。可知被动区加固有效控制了地连墙水平位移，两侧围护墙的水平位移均随着被动区加固宽度b 的增大而逐渐减小，当被动加固区贯通整个坑底时，地连墙侧向位移大幅度下降，围护结构整体变形趋势变平缓，最大围护结构侧向位移值出现面向上浮动，出现在基坑开挖面附近，沿地连墙插入深度呈现出一种向内凹陷的“抛物线”型分布。地连墙顶端侧向位移被第一道内支撑限制，变形朝向坑外，呈现出典型的深槽向内的位移型态。偏压侧与非偏压侧地连墙的变形随着加固宽度b 的增加都由向坑外变形转向坑内变形。从图3 可知，随着加固区宽度b 的增大，地连墙弯矩值逐渐减小。当加固区土体未布满整个基坑底部时，加固区宽度的增大并不会改变围护桩弯矩在竖直方向上的分布规律，仅改变最大弯矩值。

图2 地连墙水平位移与被动区土体加固宽度的关系曲线

图3 被动区土体加固宽度对地连墙弯矩分布的影响曲线

3.1.2 不同加固宽度对应的地表沉降

图4 是坑外地表沉降随被动加固区深度的分布曲线。从图4 可知，被动区土体加固能有效地限制基坑外侧地表沉降变形，基坑墙后地表沉降值随着加固区宽度的增加而减小。偏压侧曲线整体呈现下凹趋势，地表最大沉降发生在距基坑边缘约6m 处，非偏压侧土体最大沉降发生在右侧地连墙后。

3.1.3 不同加固宽度对应的基坑坑底回弹

图5 是偏压条件下不同被动区加固宽度作用下坑底回弹变形在水平方向上的分布曲线。由图可知，曲线中部位置有一段明显近似水平的曲线，范围与每种工况所对应的加固区宽度对应。当加固宽度b=0m 时，坑底回弹变形的最大值出现在基坑中线附近，坑底隆起形态是不均匀的马鞍形；b=14m 时，坑底隆起形态为均匀的拱形。这表明随着加固宽度b 的增大，坑底回弹变形逐渐由塑性变为弹性，可以看出，扩展加固区土体宽度对限制坑底回弹变形有着显著作用。

图5 被动区土体加固宽度对坑内基坑隆起的影响曲线

3.2 被动区土体加固深度对偏压基坑变形的影响

3.2.1 不同加固深度下对应的地连墙水平位移

从图6 可以看出，被动区加固对控制地连墙水平位移有着显著的作用，随着被动区土体向下拓展，围护结构最大水平位移逐渐减小，地连墙最大水平位移出现面上浮。偏压侧与非偏压侧墙体皆向基坑内偏移，但两侧最大水平位移存在显著差别。当被动加固区宽度保持不变时，围护结构水平位移在加固深度保持0～4m 时的减少幅度最大，这表明被动区加固深度h 存在最优参数。本基坑模型H＝14m，可确定此基坑模型坑底被动区土体的合理加固深度为0.2～0.3h 左右。

图6 被动区土体加固深度对应的地连墙水平位移分布曲线

3.2.2 不同加固深度对应的地表沉降

不同加固深度下的坑外地表沉降变形规律与不同加固宽度下的坑外地表沉降变形规律相同，故不再赘述。

3.2.3 不同加固深度对应的坑底隆起

如图7 所示，被动区土体无加固情况下的基坑隆起曲线与有加固情况下的基坑隆起曲线存在明显区别。随着加固深度的增加，坑底隆起值不断降低，当加固深度达到5m时趋于稳定，变形曲线是较为平滑的抛物线形，基坑隆起量随着距基坑边距离的增长逐渐增加，到基坑中线位置后基坑隆起最大值。

图7 被动区土体加固深度对坑内基坑隆起的影响

3.3 被动区土体加固形式对偏压基坑变形的影响

为探究相同加固区宽度下不同加固体布置形式对基坑被动区加固效果的影响，对加固区土体采用裙边加固，具体如图8 所示。加固区1 的宽度为b1，加固区2 的宽度为b2，且b1=b2，加固区宽度b=b1+b2。

图8 加固区布置图

图9 是裙边加固下基坑围护结构侧向位移沿竖直方向的分布曲线。可知，裙边加固能有效地控制地连墙水平位移，围护墙的水平位移随着裙边加固宽度b 的增大而逐渐减小，与图2 相比，裙边加固不会导致地连墙水平位移产生突变。曲线总体呈现出典型的类似于“弓形”的变形规律，在坑底出现最大水平位移并逐渐上移。

图9 裙边加固下地连墙水平位移与土体加固宽度的关系曲线

图10是裙边加固与满堂加固在相同的加固宽度下围护结构最大侧向位移曲线。裙边加固记为方案1，满堂加固记为方案2。可知，相同加固区宽度下，当b=2～4m 时，满堂加固产生的位移略小于裙边加固产生的位移；当b=6～12m 时，方案1 产生的位移大于方案2 产生的位移，且随着加固区宽度b 的增大，两种加固方式产生位移之差逐渐增加。当b=12m 时，偏压侧，方案1 产生的最大水平位移是11.85mm，方案2 产生的最大水平位移是7.98mm，后者只有前者的67%。